物理所鐵基超導體電荷動力學研究取得新進展

　　鐵基超導體是凝聚態物理的前沿熱點領域之一。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）王楠林研究員領導的小組在鐵基超導體的母體和超導樣品的電荷動力學方面繼續進行深入研究，取得新的進展。

　　鐵基超導體的一個主要特征是存在磁性與超導電性的競爭，當長程磁有序被一定程度抑制之后，出現超導電性。普遍認為，超導電性與磁性漲落密切相關，但對于磁有序的起源卻有不同認識。鐵基超導體母體的磁性最先被認為是由費米面疊套(nesting)驅動的自旋密度波有序態，但很快出現另外一種觀點，即認為磁有序可能來自于局域自旋的反鐵磁超交換相互作用。兩種圖像到底哪一個更合適，成為鐵基超導研究領域有爭議的一個主要議題，也涉及到認識鐵基超導電性的出發點。在過去兩年，王楠林小組通過對鐵基超導體幾個典型系統電荷動力學的深入研究，指出這兩種效應均存在于鐵基超導體系統之中，但對不同系統這兩種相互作用對磁長程有序起的支配作用不同。

　　鐵基超導體母體BaFe2As2和SrFe2As2分別在138K與200K發生磁性（并且同時伴隨結構）相變，低溫下進入反鐵磁有序狀態。該研究組在2008年進行的E//ab面光譜實驗表明，上述磁有序相變伴隨著費米面上能隙的打開，導致載流子數目與壽命的急劇變化。實驗結果支持費米面疊套效應驅動的自旋密度波相變。特別是實驗觀察到兩個不同大小的能隙特征，自然與體系存在多個費米面聯系在一起【Phys.Rev.Lett. 101, 107004 (2008)】。

　　最近，該小組進一步研究了E//c軸的光反射譜。研究組的諶志國等博士生生長了c方向足夠厚的BaFe2As2和SrFe2As2單晶樣品并進行了c方向偏振的光反射譜測量，與ab面內的測量相比較，發現只有能量尺度較小的能隙可以清晰地觀察到，而能量尺度較大的能隙特征則幾乎消失。他們與戴希、方忠等理論研究人員合作對兩個能隙的起源進行了深入分析，指認較大的能隙是由于二維柱狀空穴型與電子型費米面間存在（π，π）波矢的疊套引起的，是驅動自旋密度波發生的原因。由于二維柱狀費米面上電子的費米速度沿c方向分量很小，這些費米面上打開的能隙只能在ab平面清楚觀察到。而小的能隙是由于產生自旋密度波后新的磁布里淵區跨過三維大費米面，在相交區域三維的大費米面上打開的，因而可在不同方向觀察到，可以認為是形成自旋密度波的后果【Phys.Rev.Lett. 105, 097003 (2010)】。該實驗進一步揭示，在122結構體系中電子巡游性在磁有序起源起支配作用，為認識鐵基超導體系超導電性起源提供了依據。

　　鐵基超導體中1111結構體系大尺寸單晶很難生長。美國Ames實驗室首先取得突破，報道用NaAs作為助溶劑能夠生長出毫米尺寸的1111體系單晶。其后王楠林研究組的諶志國、董濤等迅速生長了LaFeAsO和其它稀土替代的1111體系毫米尺寸單晶樣品，研究了其光學性質。他們由實驗測量估算了ab平面內的等離子體頻率，通過與密度泛函計算比較，揭示體系存在較強的關聯效應【Phys. Rev. B 81, 100502(R) (2010)】。他們進一步研究了結構相變與磁相變的關系，發現磁有序狀態下的部分能隙打開特征在結構相變發生后已經出現，表明結構相變之后的電子狀態與磁有序態已基本相同。他們還研究了稀土離子替代對ab面內紅外聲子的影響，發現面內的聲子頻率朝高頻方向系統移動，表明其鍵合強度顯著增強。另外發現聲子具有非對稱Fano效應，揭示體系存在電聲子相互作用。他們還糾正了先前文獻中對面內紅外聲子的錯誤指認【Phys. Rev. B 82, 054522 (2010)】。

　　超快光譜是研究載流子馳豫動力學的重要手段，能夠對超導電性機制提供有用信息。泵浦－探測是研究超快過程的主要實驗技術。實驗上，第一個強激發脈沖（泵浦）引起準粒子激發，同時決定時間零點。然后用較弱的探測光在一段延遲時間之后，測量準粒子激發狀態變化所引起的光反射率之改變。對于超導體，高能量的光子會拆散庫伯對，形成高能的準粒子。這些準粒子很快通過電子-電子、電子-聲子散射弛豫成低能準粒子，低能準粒子重新復合，形成Cooper對，同時放出聲子，這些聲子又會拆散其他的Cooper對，直至聲子通過周圍環境弛豫或非諧振效應使能量小于能隙。王楠林小組與美國Los Alamos國家實驗室和MIT兩個研究組合作，利用超快光譜研究了(Ba,K)Fe2As2超導體的準粒子弛豫過程。發現對欠摻雜樣品同時存在自旋密度波有序和超導相變，它們之間相互競爭；而在溫度降至60K附近，SDW有序被壓制，準粒子弛豫呈現反常，表現出新的有序態，分析表明這一反常的弛豫過程可能是未相干的配對電子所形成【Phys. Rev. Lett. 104, 027003 (2010)】。對最佳摻雜的(Ba,K)Fe2As2樣品進行研究，發現光激發的準粒子存在兩種不同的弛豫超快動力學過程。準粒子的熱弛豫率表現出隨溫度的平方關系而不是s波超導體的指數衰減，從而揭示出超導態能隙函數應該具有節點，能隙不完全是各向同性地打開【Phys. Rev. Lett. 105, 027005 (2010)】。

　　上述研究得到中國科學院、基金委和科技部相關項目的資助。